PERBEDAAN STRUKTUR MIKRO, KEKERASAN, DAN KETANGGUHAN BAJA HQ 705 BILA DIQUENCH DAN DITEMPER PADA MEDIA ES, AIR DAN OLI Darmawi, (1) M. Amin Indra Putra (1) (1) Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jl. Raya Palembang Prabumulih Km. 32 Kec. Indralaya 30662 Ogan Ilir Ringkasan Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis efek dari perbedaan media pendinginan pada proses quench terhadap kekerasan dan kekuatan impak baja paduan HQ 705. Baja paduan HQ 705 setara dengan baja paduan nikel-chromium-molybdenum AISI 4340 dengan komposisi paduan 0,38 0,43% C, 1,82% Ni, 0,50 dan 0,80% Cr, 0,25% Mo. Penelitian dilaksanakan dengan cara memanaskan bahan hingga temperatur austenit 850 o C dengan waktu tahan 15 menit dan di dinginkan dengan media pendingin yang berbeda, kemudian dilakukan tempering dengan temperatur 550 o C dengan waktu tahan selama 30 menit dan didinginkan juga dengan media pendingin yang berbeda. Kemudian dilakukan pengujian kekerasan dan kekuatan impak, serta diadakan pengamatan struktur mikro. Melalui penelitian ini didapat kekerasan spesimen meningkat, kekerasan tertinggi pada spesimen yang diquench pada media es dengan kekerasan 56. Spesimen tanpa perlakuan yaitu 33,4, sedangkan pada spesimen yang ditemper kekerasan tertinggi pada media oli 40,3. Hasil impaknya menurun dengan nilai impak spesimen tanpa perlakuan 60,929 joule dengan kekuatan impak tertinggi pada spesimen perlakuan panas yang diquench dan ditemper pada media oli yaitu sebesar 37,223 Joule. Sturktur mikro baja paduan setelah dilakukan perlakuan panas adalah martensit yang mengandung dalam matrixferit+sementit Abstract This research is aim to analyze the effect of quench at difference medium on the hardness and the impact of HQ 705 steel which is as similar as AISI 4340 with 0.38 0.43% C; 1.82% Ni; 0.5% - 0.8% Cr and 0,25% Mo. HQ 705 steel is heated to austenite temperature of 850 0 C and hold as long as 15 minutes and cooled at the difference mediums, which is water, ice and oil. After that, the steels being tempered at temperature of 550 0 C and hold as long as 30 minutes, and then again cooled. Finally, the specimens are tested to find hardness, toughness and microstructure. Through this research, we find the increase of hardness, from 33.4 at no treatment to 56 at cooling in water, 40.3 at cooling in oil. Keywords: harness, impact, quench, HQ 705 steel. 1 PENDAHULUAN Pemakaian baja paduan, penggunaannya dalam pembuatan seperti poros, roda gigi, dan komponen alat berat lainnya mensyaratkan beberapa faktor seperti kekuatan, kekerasan, ketangguhan, keuletan, tahan panas, tahan aus dan sebagainya. Salah satu upaya yang dilakukan untuk meningkatkan kualitas baja adalah dengan perlakuan panas (heat treatment). Perlakuan panas pada baja mempunyai peran penting dalam upaya mendapatkan sifat-sifat tertentu yang diinginkan sesuai dengan kebutuhan. Proses ini meliputi pemanasan baja pada temperatur tertentu (temperature austenit) dan dipertahankan pada waktu tertentu pula (holding time) serta didinginkan dalam media tertentu pula (quench). Tujuan dari proses ini adalah untuk meningkatkan kekuatan, kekerasan, ketangguhan, dan keuletan. Beberapa faktor yang dapat mempengaruhi perlakuan panas, yaitu temperatur pemanasan, waktu yang diperlukan pada temperatur pemanasan, laju pendinginan, dan lingkungan atmosfir. Berdasarkan uraian diatas permasalahan yang akan diungkap dalam penelitian ini adalah: berapa besar dampak terhadap kekerasan, ketangguhan, serta struktur mikro baja paduan HQ 705 akibat quenching dan tempering pada media yang berbeda. Penelitian dilakukan pada baja paduan HQ 705 sebelum dan sesudah perlakuan panas quenching dan tempering. Penelitian ini dibatasi hanya untuk mengetahui dan menganalisa perubahan kekerasan, ketangguhan serta struktur mikronya saja. Manfaat dari penelitian yang dilakukan yaitu : a. Dapat memberikan masukan kepada bengkelbengkel produksi agar dapat memilih media quench pada proses quenching dan tempering elemen-elemen mesin seperti poros, komponen alat berat dan roda gigi JURNAL REKAYASA MESIN, VOL. 9 No. 1 MARET 2009 1
yang dibuat dari material baja paduan, sehingga meningkatkan umur pemakaian elemen tersebut. b. Sebagai bahan referensi untuk penelitian berikutnya mengenai proses quenching dan tempering pada baja paduan. 2. KAJIAN PUSTAKA 2.1. Pendahuluan Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan logam hingga temperatur tetrtentu dan pendinginan dengan cara tetrtentu pula dengan tujuan untuk mendapatkan sifat-sifat mekanik tertentu dan struktur mikro tertentu pula. 2.2. Baja Paduan (Alloy Steel) Baja paduan yang diklasifikasikan menurut kadar karbonnya dibagi menjadi : 1. Low Alloy Steel, jika elemen paduannya 2,5 % 2. Medium Alloy Steel, jika elemen paduannya 2,5 10 % 3. High Alloy Steel, jika elemen paduannya > 10 % Selain itu baja paduan dibagi menjadi dua golongan yaitu baja campuran khusus (special alloy steel) dan high speed steel. 2.2.1. Baja Paduan Khusus (special alloy steel) Baja jenis ini mengandung satu atau lebih logamlogam seperti nikel, chromium, manganese, molybdenum, tungsten dan vanadium. 2.2.2. High Speed Steel (HSS) Self Hardening Steel Kandungan karbon : 0,70 % - 1,50 %. Penggunaan membuat alat-alat potong seperti drills, reamers, countersinks, lathe tool bits dan milling cutters. Struktur Mikro Baja Karbon Besi Delta (δ ) Besi delta merupakan salah satu fasa yang hanya berada antara temperatur 1400 o C sampai 1539 o C. Besi delta mempunyai sel satuan kubus pusat badan atau Body Center Cubic (BCC). Austenit ( γ ) Austenit atau besi gamma (γ ) mempunyai sel satuan kubus muka atau Face Center Cubic (FCC). Austenit mempunyai sifat lunak dan ulet. Ferit (α ) Ferit merupakan sel satuan kubus pusat badan atau BCC (body centre cubic) dan berada dibawah temperatur 910 o C. ferit lebih lunak dari sementit (Fe 3 C). sifat ferit adalah lunak dan ulet sehingga bisa membuat material memiliki kemampuan untuk diberikan pembentukan atau mudah dibentuk dan biasanya material yang mengandung ferit ini sering digunakan untuk keperluan konstruksi. Perlit (α + Fe 3 C) Perlit merupakan campuran antara ferit dan sementit (α + Fe 3 C) dengan lapisan-lapisan halus. Fase ini terjadi dibawah temperatur 723 o C. Perlit mempunyai sifat kuat dan keras dari ferit tetapi kurang ulet. Pada waktu pendinginan dari austenit terjadi perubahan atau transformasi austenit. Bila pendinginan ini terjadi sangat cepat, karbon tidak sempat berdifusi sehingga terbentuknya fasa martensit. Ledeburit Ledeburit mempunyai kandungan karbon 4,43 % yaitu berupa campuran eutektoid dan sementit. Ledeburit memiliki sifat yang sangat keras namun getas. Sementit (Fe 3 C) Sementit merupakan senyawa logam yang memiliki kekerasan tinggi diantara fasa-fasa yang terdapat pada baja dan bersifat getas. Sementit mempunyai kandungan karbon 6,67 % dari berat molekul. Gambar 1. Diagram Fasa Fe-Fe 3 C Perlakuan Panas (Heat Treatment) Perlakuan panas pada baja diklasifikasikan menjadi : 1. Perlakuan Panas Termal (Thermal Treatment) Gambar 2. Kurva Perlakuan Panas 2. Perlakuan Panas Termokimia (Thermochemical Treatment) 3. Perlakuan Panas Termomekanik (Thermomechanical Treatment) 4. Perlakuan Inovatif Permukaan (Innovative Surface Treatment) Dalam penelitian ini, penulis memilih jenis pengerasan secara penuh (full hardening) dengan media pencelupan/ pendinginan (quench) yang berbeda. Kemudian di temper dan didinginkan dengan media yang berbeda pula. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui dan menganalisa perbedaan 2 Perbedaan Struktur Mikro, Kekerasan dan Ketangguhan Baja HQ 705 Bila Diquench dan Ditemper Pada Media Es, Air dan Oli
kekerasan, ketangguhan serta struktur mikro dari baja HQ 705 yang di quench dan di temper dalam media pendinginan yang berbeda. 2.3. Quenching Quenching adalah proses pendinginan cepat bajaa dari temperatur austenit sampai temperatur ambient pada media ertentu yang akan menghasilkan struktur martensitt melalui pendinginan tiba-tiblaju pendinginan cepat seperti air. Pada tahap quench melalui media cair yang akan baja kedalam media yang memiliki terjadi adalah 1. Selimut uap ( Vapour Blanket ) 2. Pendidihan ( Boiling ) 3. Konveksi ( Convection ) Gambar 3. Mekanisme Pendinginan Dengann Media Cair. Untuk melihat proses pendinginan tersebut, dapat dilihat dari diagram TTT (Time Temperatur Transformation) dibawah ini. Gambar 2.4 Diagram TTTT (Time Gambar 4. Temperature Transformation) 2.4. Baja setelah di quench memiliki tegangan sisa, bersifat rapuh, dan mudah patah, dimensi tidak stabil maka material tersebutt tidak siap digunakan. Untuk itu perlu dilakukan pengerjaan lebih lanjut untuk menghilangkan tegangan sisa dan sisa austenit agar logam tersebut tangguh yaitu dengan dilakukan tempering. dilakukan dengan pemanasan kembali Setelah di quench dibawah garis A1 (150-650 o C) dengan tujuan 1. Mengurangi tegangan sisa akibat proses quench 2. Memperbaiki ketagguhan 3. Mengurangi austenit sisa Macam dari proses tempering dibedakan berdasarkan temperatur menjadi : 1. pada suhu rendah (150 300 o C). Perlakuan inii hanya untuk mengurangi tegangan- tegangan kerut / sisa dan kerapuhan dari baja serta meningkatkan ketangguhan tanpa kehilangann kekerasan, biasanya untuk alat-alat kerja yang tidak mengalami beban berat. 2. pada suhu menengah ( 3000-550 o C). Perlakuan ini bertujuan untuk menambah keuletan, dan kekerasannya sedikit berkurang. Proses inii digunakan pada alat-alat kerja yang mengalami beban berat, misalnyaa palu, pahat, pegas. 3. pada suhu tinggi ( 540-680 o C). Perlakuan inii bertujuan untuk memberikan dayaa keuletan dan ketangguhan yang besar dan sekaliguss kekerasannya menjadi agak rendah. Perlakuan inii umumnya perlu untuk roda gigi, poros, batang penggerak dan sebagainya. Mekanisme tempering dapat dijelaskan sebagai barikut: 1. Temper 1 : sebagian sisa austenit akan bertransformas si menjadi martensit dan akan menyebabkan perubahan dimensi (transformasi lainnya, yaitu Martensit menjadi Ferrit+ +simentit, sisa austenit menjadi bainit, presipitasi karbida). 2. Temper 2 : Martensit baru yang terbentuk padaa tahap tempering 1 akan mengalami temper lanjut. Tegangan sisa yang masih ada akan terus tereliminasi. 3. Temper 3 : Terjadi eliminasi lanjut terhadap tegangan yang masih tersisa dan dimensi perkakas lebih stabil setelah tahap ini. 3. BAGAN ALIR PENELITIAN 3.1. Komposisi Spesimen Tabel 1. Komposisi Spesimen Gambar 5. Proses Quenching dan UNSUR C Cr Ni Mo Fe KANDUNGANN % 0,5 1,75 1,66 0,18 95,7 JURNAL REKAYASAA MESIN, VOL. 9 No. 1 MARET 2009 3
3.2. Proses Quenching Setelah mencapai temperatur dan waktu penahanan yang dikehendaki pada masing-masing spesimen, kemudian spesimen dikeluarkan dari tungku dan langsung dicelup cepat atau di-quench dengan variasi media quenching yaitu media air, air es, dan oli. Setelah spesimen dingin, lalu spesimen diangkat dari dalam media pendingin kemudian dikeringkan dan dibersihkan. Pada pengujian ini semua spesimen diberi perlakuan quench. Setelah itu dilanjutkan dengan proses berikutnya. 3.3. Proses Temper Pada penelitian ini material yaitu baja paduan HQ 705 yang telah dilakukan proses quenching dengan temperatur 850 o C dan waktu penahanan selama 15 menit dan 30 menit ditemper pada temperatur 550 o C dengan waktu penahanan 30 menit. Kemudian diikuti oleh pendinginan kedalam air, air es, dan oli. 3.4. Pengujian Kekerasan Metode ini menggunakan indentor kerucut intan atau bola baja. Indentor kerucut intan lebih cocok untuk material keras sedangkan bola baja lebih cocok untuk material yang lebih lunak. Beban yang diberikan terdiri dari beban minor/ awal sebesar 10 kg yang gunanya untuk memecah lapisan tipis yang ada di permukaan benda uji. Kemudian dilanjutkan dengan beban mayor/utama sebesar 60 kg, 100 kg atau 150 kg. 3.5. Pengujian Impak Material yang telah diperlakukan panas dengan temperatur kemudian diquencing dan ditemper juga dengan temperatur yang berbeda dilakukan pengujian impak. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui berapa besar energi yang dimiliki oleh spesimen untuk menahan beban tiba-tiba, atau untuk mengetahui kekuatan impak atau ketangguhan dari spesimen tersebut. 3.6 Pengujian Metallografi Setelah semua spesimen dilakukan pengujian kekerasan maka selanjutnya dilakukan pengujian metallografi. Pengujian metallografi bertujuan untuk mengamati struktur mikro logam. Pengujian ini akan menunjukkan pengaruh yang ditimbulkan oleh proses karburisasi terhadap struktur mikro material tersebut dan dengan hasil dari pengujian ini kita bisa menarik kesimpulan tentang perubahan sifat yang terjadi pada material akibat proses perlakuan panas. 4. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan metode Rockwell dengan indentor kerucut intan dengan beban 150 kg. dan sudut 120 o. No Tabel 2. Hasil Uji Kekerasan Spesimen Tanpa Perlakuan dan spesimen yang diquench Kg Media Quenching awal Air Es Air Oli 1 34,5 52,5 50,5 54 2 34,5 55 52 54,5 3 33 56 49,5 49,5 4 33,5 56 47,5 49,5 5 150 32,5 56,5 53,5 54,5 6 32,5 56 46 54,5 7 33 57,5 49 54 8 33 58 52 53,5 9 32,5 56,5 50 54,5 10 35 56 52,5 53,5 Rerata 33,4 56 50,25 53,2 Tabel 3. Hasil Uji Kekerasan Spesimen Yang Diquench dan Ditemper No Kg Air Es Media Temper Air Oli 1 39 39 41 2 37,5 37 41 3 38,5 38 41 4 35 42 42,5 5 150 38 38 42,5 6 38,5 40 40 7 38 39 38 8 35 40 38,5 9 37,5 37 41 10 39 42 37,5 Rerata 37,6 39,2 40,3 4 Perbedaan Struktur Mikro, Kekerasan dan Ketangguhan Baja HQ 705 Bila Diquench dan Ditemper Pada Media Es, Air dan Oli
60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Titik Penekanan Spesimen Non Perlakuan Quenching Air Es Quenching Air Quenching Oli Air Es Air Oli Kekerasan Gambar 6. Kurva Kekerasan Spesimen Non Perlakuan, Spesimen Yang Diquench Dan Spesimen Yang Diquench dan Ditemper Dengan Media Pendingin berbeda. Dari pengujian kekerasan yang telah dilakukan, dapat dilihat kekerasan logam yang non perlakuan adalah berkisar antara (32,5-35). Pada spesimen yang diquench dengan media air es diperoleh kekerasan baja paduan yang paling tinggi yaitu (52,5-58) setelah ditemper dengan media air es kekerasannya menurun menjadi (35-39), kekerasan baja paduan diquench pada media air berkisar antara (46-53,5) setelah ditemper dengan media air menurun menjadi (37-42), dan kekerasan baja paduan yang diquench pada media oli berkisar (49,5-54,5) setelah ditemper dengan media oli menurun menjadi (37,5-42,5). Secara umum harga kekerasan baja paduan semakin meningkat dari (32,5-35) menjadi (52,5-58). Dari hasil pengujian ternyata pengujian dengan air es menunjukkan bahwa pendinginan dengan air es memberikan waktu yang lebih cepat. Dan oli ternyata juga bisa memberikan waktu yang lebih cepat dibanding air sehingga terbentuk martensit. Air ternyata memberikan waktu yang lebih panjang sehingga proses pembentukan martensit lebih rendah dibanding es dan oli. Hal itu juga ditunjukkan oleh kurva (Gambar 6) yang menggambarkan nilai kekerasan Rockwell pada masing-masing spesimen. Jadi semakin cepat laju pendinginannya kekerasan pada proses tempering semakin menurun. 2. Pengujian Impak Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui berapa besar energi yang dimiliki oleh spesimen untuk menahan beban secara tiba-tiba, dengan kata lain untuk mengetahui kekuatan impak atau ketangguhan dari spesimen tersebut. Energi untuk mematahkan spesimen dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut : E 1 = P (D - D cos α ) E 2 = P (D -D cos φ ) E = E 1 - E 2 = P D (cos φ - cos α ) (1) Dimana : E 1 = Energi potensial yang ditahan pada sudut angkat ( α ) dari palu E 2 = Pesisi energi yang ditahan pada sudut ayun (φ ) dari palu P = Berat palu = 25,68 kg D = Jarak dari pusat sumbu palu ke pusat gravitasi = 0,6490 m α = Sudut angkat palu = 146,5 o φ = Sudut ayun setelah palu mengenai spesimen Tabel 4. Hasil Uji Impak Spesimen Non Perlakuan. No. Sudut Ayun Palu (φ ) spesimen Non Perlakuan 1. 118 2. 118 3. 116,5 Tabel 5. Data Hasil Uji Impak Spesimen Yang Diquench dan Ditemper Dengan Media Pendinginan Berbeda. No. Media Pendin ginan Sudut Ayun Palu ( φ ) Quench ing Sudut Ayun Palu (φ ) Quenching dan 1. Air Es 151 137 2. Air Es 148 137,5 3. Air Es 148 137 4. Air 143,5 134,5 5. Air 141 134,5 6. Air 143,5 131 7. Oli 139,5 128 8. Oli 139 125 9. Oli 125,5 129 JURNAL REKAYASA MESIN, VOL. 9 No. 1 MARET 2009 5
4.2.1 Energi Impak Spesimen Tanpa Perlakuan Energi impak rata-rata = 60,929 Joule 4.2.2 Energi Impak Spesimen Yang Diquench Pada Media Air Es logam tersebut menjadi keras tetapi juga menjadi tangguh sehingga ketangguhannya meningkat. 5. Metallography. Energi impak rata-rata = -3,760 Joule 4.2.3 Energi Impak Spesimen Yang Diquench Pada Media Air Energi impak rata-rata = 6,376 Joule 4.2.4 Energi Impak Spesimen Yang Diquench Pada Media Oli. Energi impak rata-rata = 22,072Joule 4.2.5 Energi Impak Spesimen Yang Diquench Dan Pada Media Air Es. Energi impak rata-rata = 16,513 Joule 4.2.6 Energi Impak Spesimen Yang Diquench Dan Pada Media Air. Energi impak rata-rata = 24,197 Joule 4.2.7 Energi Impak Spesimen Yang Diquench Dan Pada Media Oli. Energi impak rata-rata = 37,223 Joule Dari seluruh data yang kita peroleh dari hasil perhitungan diatas, maka kita bisa mendapatkan kurva yang menyatakan hubungan antara energi impak (ketangguhan) dengan media pendinginan. Dari kurva tersebut kita bisa mengetahui perbedaan energi impak masing-masing spesimen yang telah Diquench dan Ditemper dengan variasi media pendinginan. Berdasarkan pengujian impak yang telah dilakukan terhadap spesimen tanpa perlakuan dan spesimen yang Diquench serta spesimen Diquench dan tempering dengan variasi media pendinginan yang berbeda, didapatkan energi impak yang paling tinggi terdapat pada spesimen yang Diquench dan tempering dengan oli yaitu 16,513 joule. Sedangkan spesimen yang non perlakuan memiliki energi impak yaitu 60,821 joule. Rata-Rata Energi Impak (Joule) 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10 1 2 Hardening dan Media Air Es Media Air Media Oli Gambar 7. Hardening dan pada beberapa media Data diatas menunjukkan, bahwa pencelupan dengan oli memberikan hasil energi impak yang terbesar. Ini menunjukkan daya serap energi logam lebih besar dibandingkan dengan air es dan air saja. Ini berarti bahwa pencelupan pada oli tidak hanya membuat Gambar 8. Struktur Mikro Spesimen Diquench Es Dengan Perbesaran 200X. 5. KESIMPULAN DAN SARAN Dari pengujian didapatkan hasil-hasil sbb: 1. Bahwa media pendinginan berpengaruh pada sifat mekanik yang dihasilkan dimana laju pendinginan yang tinggi akan menghasilkan kekerasan yang tinggi. 2. Dari tabel dapat dilihat : Spesimen Nilai Air es Air Oli Quench Quench dan Temper Kekerasan Ketangguhan Joule Kekerasan Ketangguhan joule 56 50,25 53,2-3,76 6,37 22,07 37,6 39,2 40,3 16,513 24,197 37,223 3. Struktur mikro baja paduan setelah dilakukan perlakuan panas banyak mengandung martensit dan ferrit= simentit. Daftar Pustaka [1.] Nayar Alok. 2002. The steel Hand Book. Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi. [2.] Sinha Anil Kumar. 2003. Physical Metallurgy Hand Book. Mc Graw-Hill Companies, Inc New York. [3.] Smith William Fortune. 2004. Foundations Of Material Science And Engineering. Mc Graw- Hill Companies, Inc. New York. 6 Perbedaan Struktur Mikro, Kekerasan dan Ketangguhan Baja HQ 705 Bila Diquench dan Ditemper Pada Media Es, Air dan Oli
[4.] Austenit Andalan Steel, PT. HQ 705 [5.] Lawrence H. Van Vlack. 1994. Ilmu dan Teknologi Bahan, Edisi Kelima. Jakarta : Erlangga. [6.] Surdia, dan Shinroku Saito. 2000. Pengetahuan Bahan Teknik, Cetakan Kelima. Jakarta : Pradnya Paramita. [7.] Jr. Callister. 1992. Material Science and Engineering. John Willey & Son. JURNAL REKAYASA MESIN, VOL. 9 No. 1 MARET 2009 7